Chapitre 1: La lymphopoïèse B
III) Phases tardives dépendantes de l’antigène
III) Phases tardives dépendantes de l’antigène
1 Stade transitionnel et "B cell fate"1.aStade transitionnel
δorsqu’elles sortent de la moelle osseuse, les cellules empruntent la circulation
sanguine pour arriver jusqu’à la rate. Cependant, ces cellules ne sont pas encore matures, et
n’ont pas la capacité à répondre à une stimulation par un antigène. Ces fonctions seront acquises progressivement, au cours du stade dit « transitionnel » (Pour revue : Chung et al., 2003). Ce stade correspond à une population de cellules hétérogènes, divisée en trois sous-populations : T1, T2 et T3, possédant chacune des marqueurs de surface et des fonctions spécifiques. De façon schématique, les T1 correspondent aux cellules transitionnelles précoces, et les T2 correspondent aux tardives. Les T3, décrites plus récemment, constituent une population distincte de cellules anergiques et fréquemment autoréactives (Merrell et al., 2006; Teague et al., 2007; Liubchenko et al., 2012).
La différence principale entre les T1 et T2 est leur réponse à une stimulation du BCR. En effet, au stade T1, la fixation d’un antigène au BCR induit l’entrée en apoptose de la
cellule. Il s’agit donc d’une sélection supplémentaire, dans la continuité du checkpoint se
déroulant au stade immature dans la moelle osseuse. Toutefois, les cellules transitionnelles n’exprimant plus les enzymes du complexe RAG, la reconnaissance d’un antigène du soi ne
pourra pas induire l’édition du BCR, et provoquera donc l’entrée en apoptose de la cellule ou
son anergie (Sandel and Monroe, 1999). Plusieurs études ont démontré l’importance de cette sélection dans les cellules transitionnelles, en montrant qu’une dérégulation à ce stade est fréquemment associée à des maladies auto-immunes telles que le lupus érythémateux ou le syndrome de Sjodren (Teague et al., 2007; Pour revue : Vossenkämper et al., 2012).
Au stade T2, les cellules vont progressivement acquérir les caractéristiques de cellules B matures. Même si les différentes sources bibliographiques divergent sensiblement, probablement à cause de différences dans les protocoles d’isolation des différentes sous -populations transitionnelles, il est admis que le stade T2 est marqué par l’augmentation
progressive de la résistance à l’apoptose et de la capacité de prolifération en réponse à une
Igα/β Lyn Syk Btk PKC Akt Raf-1 Mek1/2 Erk1/2 MEKKs MKKs p38 JNK1/2 PKC Erk1/2 p38 JNK1/2 C-Myc Elk-1 C-Myc Elk-1 MAX NFAT CamK NFAT CamK Ets-1 IKK NF-κB NF-κB Bfl-1 Oct-2 In it ia tio n Pr op a g a tion Inté g ra tio n Noyau Cytoplasme
Figure 9 – Représentation schématique simplifiée de la voie de signalisation du BCR.
La fixation d’un antigène au BCR entraine son activation et l’induction d’une cascade de signalisation divisée en trois parties : l’initiation, la propagation et l’intégration.
17 C’est la mise en place des cascades de signalisation en amont du BCR qui va réguler la
poursuite du développement lymphocytaire jusqu’au stade mature, en association notamment
avec la voie du récepteur au BAFF (B-cell Activating Factor, aussi appelé BLys) (Schneider et al., 1999; Sasaki et al., 2004; Pour revue : Cancro, 2004; Jung et al., 2006; Khan, 2009). Parallèlement à la mise en place de ces signalisations, le BCR va acquérir au stade mature la capacité à répondre à une stimulation en se relocalisant au sein de rafts lipidiques et en surexprimant le CD86, une protéine costimulatrice, formant ainsi un « signalosome » permettant d’optimiser la transduction du signal BCR (Chung et al., 2001, 2002).
1.bSignalisation et B cell fate
La capacité des lymphocytes B à répondre à des signaux, acquise au cours du stade transitionnel, va avoir deux fonctions μ d’une part assurer la survie et la continuité du développement des cellules ayant passé avec succès les différents points de contrôle au cours de la lymphopoïèse précoce, et d’autre part réguler le devenir des cellules au stade mature. En effet, les cellules B matures sont divisées en plusieurs sous populations, possédant chacune des caractéristiques et des fonctions différentes. Les deux sous-populations majeures sont les cellules dites de la zone marginale (MZ B cells, pour Marginale zone B cells) et les cellules folliculaires (FO) (Pillai and Cariappa, 2009). On distingue également une population de cellules dites « B1 », issues de précurseurs différents (Montecino-Rodriguez and Dorshkind, 2012).
δ’importance de ces signaux a été démontrée par de nombreuses études reposant sur
l’altération des cascades de signalisation en réponse à l’activation du BCR. Selon les protéines ciblées, une perturbation de cette signalisation peut entrainer un blocage au stade transitionnel, ou un biais dans la répartition des sous populations marginales et folliculaires (Chung et al., 2003; Allman et al., 2004).
δ’activation de la signalisation par le BCR peut être divisée en 3 étapes : 1 –
l’initiation de la signalisation par la fixation d’un antigène sur le récepteur, β – la propagation
du signal et l’activation de cascades de phosphorylation via des seconds messagers, et γ – l’intégration du signal, conduisant à l’activation et à la translocation au noyau de facteurs de transcription favorisant la survie et la différenciation des cellules B (Fig. 9) (Pour revue : Dal Porto et al., 2004; Packard and Cambier, 2013). En parallèle de la voie du BCR, la fixation
VH D JH Eµ CH1 CH1 IgM CH2 CH3 CH4 S M1 M2 CH3 S M1 M2 IgD CH3 CH3 S S S S CH2 CH3 CH2 CH3 S S S S CH4 CH4 mIgM mIgD
Figure 10 – Mécanisme d’épissage alternatif permettant l’expression simultanée d’IgM et IgD. (A) Les lignes bleues et vertes représentent les transcrits permettant respectivement la synthèse d’IgM et
d’IgD. Les traits pleins représentent les exons conservés après épissage.
(B) L’IgM contient 4 domaines CH, tandis que l’IgD n’en contient que deux (le deuxième étant quand même noté CH3) et possède une région charnière plus longue.
A
18 des protéines BAFF et APRIL, des ligands de la famille du TNF, à leurs récepteurs (BAFF-R et TACI pour le BAFF, BCMA et TACI pour APRIL), vont favoriser la différenciation et la survie des cellules B en activant les voies canoniques et alternatives de NF- B (Pour revue : Chung et al., 2003; Pillai and Cariappa, 2009; Pieper et al., 2013).
Les cellules B expriment également depuis les stades précoces de leur développement des récepteurs, les TLR (Toll Like Receptors), capables de reconnaitre des motifs spécifiques des pathogènes tels que des lipopolysaccharides ou des séquences particulières d’ADN, regroupés sous le nom de PAMP (pour Pathogen Associated Molecular Paterns). Des études ont montré que l’activation de ces TδR au cours du stade transitionnel influence le devenir des cellules, et peut entrainer leur différenciation en cellules plasmatiques (Capolunghi et al., 2008) ou en cellules B mémoires (Aranburu et al., 2010).
δ’équilibre entre l’activation de ces différentes voies va affecter le devenir des cellules
B (aussi appelé « B cell fate »). δ’hypothèse la plus généralement admise est qu’une signalisation forte par le BCR va induire une différenciation en B folliculaire, tandis qu’un signal BCR faible favorisera une différenciation en B de la zone marginale. Certaines études tendent cependant à nuancer cette théorie, et suggèrent une régulation plus fine du B cell fate.
En effet, la plupart des modèles utilisés pour étudier l’impact de la signalisation via le BCR
sur la différenciation consiste à éliminer ou altérer des protéines impliquées dans les cascades
de signalisation induite par le BCR, afin de moduler l’intensité de ce signal. Le défaut
principal de ces modèles est que la signalisation est perturbée dès les stades les plus précoces de la lymphopoïèse, bien avant la différenciation en B MZ ou FO. Il a été suggéré que de telles mutations puissent perturber la mise en place du répertoire antigénique, notamment en affectant la sélection négative et/ou positive des clones, et favorisant ainsi le maintien de cellules autoréactives, ce qui perturberait la répartition des cellules B MZ et FO (Pour revue : Martin and Kearney, 2002; Allman et al., 2004; Pillai and Cariappa, 2009).
1.c IgD
A partir du stade T2, les cellules vont exprimer à la membrane un BCR à IgD, en plus
de l’Igε acquis lors des stades précoces, grâce à un mécanisme d’épissage alternatif d’un
grand transcrit commun (Fig. 10), (Rowe et al., 1973; Moore et al., 1981; Mountz et al., 1990; Pour revue : Chen and Cerutti, 2011). Cette double expression reste un mécanisme
19 énigmatique : les BCR IgM et IgD activant des voies de signalisations relativement similaires
lors d’une stimulation, quel est l’intérêt d’exprimer ces deux isotypes simultanément ?
δ’importance de cette co-expression a longtemps été sous estimée, d’une part parce que les
premières études semblaient indiquer qu’un de ces deux isotypes pouvait compenser la
délétion de l’autre dans des modèles murins (Roes and Rajewsky, 1991; Nitschke et al., 1993;
Lutz et al., 1998), et d’autre part parce que l’IgD a longtemps été perçu comme un isotype peu
conservé et apparu récemment dans l’évolution (Preud’homme et al., β000). Ces deux
affirmations ont été depuis nuancées par des études plus fines.
En effet, la délétion de Cµ modifie le répertoire antigénique, notamment en altérant le choix des segments VH utilisés lors des recombinaisons VDJ, et perturbe la mémoire immunitaire et les réponses secondaires à une infection (Guo et al., 2008; Han et al., 2004).
D’autre part, l’étude de souris déficientes pour IgD a montré une perturbation de la
lymphopoïèse et une mise en place retardée du phénomène d’hypermutation somatique lors de réactions T-dépendantes, ce qui suggère un rôle du BCR IgD pour accélérer la réaction du lymphocyte B lors des premières phases d’une réaction immunitaire (Roes and Rajewsky, 1993).
D’un point de vue évolutif, les progrès en matière de séquençage et d’analyse de génome ont démontré que, contrairement à ce qui était admis, l’IgD est un isotype ancien, conservé chez la plupart des vertébrés (à l’exception des oiseaux et de quelques mammifères) depuis les élasmobranches (les plus anciens vertébrés à mâchoires). On retrouve chez tous ces
organismes un mécanisme d’épissage alternatif et une double expression IgM/IgD (Ohta and
Flajnik, 2006; Zhu et al., 2014). Une étude récente a permis d’identifier une protéine, Zfpγ1κ (pour Zinc Finger Protein 318), très conservée dans l’évolution et responsable de l’épissage alternatif du transcrit IgM/IgD. La délétion de cette protéine entraine une disparition
quasi-totale de l’IgD, sans affecter l’expression d’autres gènes (Enders et al., 2014; Pioli et al.,
2014). La conservation et la spécificité de la protéine Zfp318 confirme l’importance de cette double expression contrôlée d’un BCR Igε et IgD.
δ’hypothèse qui prévaut actuellement est que le BCR IgD aurait un rôle de modulateur
de la réponse immune, régulant la sélection et l’homéostasie des lymphocytes B. Ainsi, au
stade transitionnel, l’augmentation de l’expression du BCR IgD permettrait d’amplifier le signal du BCR IgM, facilitant la sélection des clones positifs et le passage au stade mature (Carsetti et al., 1993, 1995; Pour revue : Geisberger et al., 2006). Cependant, d’autres données
20 suggèrent que le BCR IgD transmettrait des signaux répresseurs ou apoptotiques. En effet, l’expression conjointe d’un BCR IgD et de son antigène à la membrane d’une cellule va entrainer un blocage du développement au stade immature (Duong et al., 2010). D’autre part,
il a été démontré que les cellules matures anergiques murines expriment plus d’IgD que
d’Igε, tandis que des études chez l’homme ont montré que les cellules exprimant plus d’IgD
que d’Igε ne répondent que très peu aux stimulations par le BCR (Goodnow et al., 1988;
Zheng et al., 2004; Koelsch et al., 2007; Duty et al., 2009; Chen and Cerutti, 2011).
δ’importance de ce rôle du BCR IgD dans la tolérance immunitaire est confirmée par
l’augmentation de la synthèse d’auto-anticorps dans des souris lpr (modèle murin
fréquemment utilisé pour étudier les maladies auto-immunes, notamment le lupus) déficientes pour IgD (Guo et al., 2011c).
Ces différences de signalisation entre les BCR IgM et IgD peuvent également être expliquées par des différences dans la structure de ces immunoglobulines, et notamment de
leur région charnière. En effet, la région charnière de l’IgD est particulièrement flexible, ce
qui influence sa capacité à fixer les antigènes (Løset et al., 2004; Übelhart et al., 2015). Ainsi, une étude récente a montré qu’un antigène à faible valence (possédant peu d’épitopes où l’Ig peut se fixer) induira une signalisation via le BCR Igε uniquement, tandis qu’un antigène polyvalent activera les deux isotypes (Übelhart et al., 2015). Les auteurs suggèrent que cette différence favorise la tolérance. Les antigènes du soi sont majoritairement présents sous forme soluble et n’activeront que les BCR Igε, générant un signal insuffisant pour activer le lymphocyte B. Inversement, les antigènes du non soi sont majoritairement rencontrés sous forme polymérique au sein de complexes immuns ou liés à des cellules présentatrices d’antigène, et permettront l’activation simultanée des BCR Igε et IgD, générant ainsi un signal suffisant pour activer le lymphocyte B. Il a été démontré que la formation de clusters de BCR reconnaissant des antigènes multimériques induit une signalisation plus rapide qu’un BCR seul (Mukherjee et al., 2013). Sachant qu’environ γ0% des cellules B matures possèdent une part d’autoréactivité et que ces cellules sont caractérisées par une baisse de l’Igε de
membrane, mais pas de l’IgD (Zikherman et al., 2012), un modèle a été suggéré μ l’expression
de l’Igε de membrane, capable de reconnaitre des auto-antigènes solubles est diminuée,
tandis que l’IgD, qui ne reconnaitra les antigènes que sous forme multimérique, sera exprimée fortement. Ceci permet de limiter les risques de réaction auto-immune, tout en assurant la
BCR polyréactif B-1a Cellules précurseurs (Foie fœtal) BCR auto/polyréactif Sélection positive sur les antigènes
du soi ?
Auto- renouvellement
Lymphocytes B-1 issus du foie fœtal
- Usage majoritaire de certains segments VH
- Diversité combinatoire limitée - Maintien du pool par auto- renouvellement Hématopoïèse foetale B-1b BCR Peu ou pas autoréactif B-2 Cellules précurseurs BCR autoréactif Apoptose B-2 BCR polyréactif B-1a Cellules précurseurs BCR auto/polyréactif Sélection positive sur certains antigènes du soi ? B-1b B-2 MZ B-2 FO Lymphocytes B-2 périphériques : - Pas de BCR autoréactifs
- Renouvellement continu à partir de la moelle osseuse
Lymphocytes B-1 chez l’adulte:
- Plus grande diversité du répertoire - Contribution mineure au pool de B-1 en conditions normales
- Capables de régénérer le pool de B-1 après déplétion
Hématopoïèse chez l’adulte
Figure 11 – Représentation schématique du développement des lymphocytes B-1.
Les lymphocytes B-1 sont sélectionnés différemment selon qu’ils proviennent du foie fœtal (gauche de la figure) ou de la moëlle osseuse lors de l’hématopoïèse chez l’adulte. Adapté d’après Baumgarth, 2011
21 reconnaissance des antigènes par les lymphocytes B (Zikherman et al., 2012; Übelhart et al., 2015).
Il est également intéressant de noter que l’IgD membranaire n’est pas retrouvée
exclusivement sous forme de BCR : une fraction est reliée à la membrane par une ancre GPI. Ces IgD membranaires sont localisées dans les rafts lipidiques de façon constitutive et sont,
contrairement au BCR, capables de mobiliser les voies de signalisation de l’AεPc (Wienands
and Reth, 1992; Chaturvedi et al., 2002). De plus, l’IgD est capable de se fixer efficacement à certaines protéines bactériennes, non pas par sa partie variable, mais par des résidus glucidiques localisés sur la partie constante. Cette fixation, même si elle est indépendante de
la partie variable de l’Ig, est suffisante pour induire l’activation des cellules B (Ruan et al.,
1990; Forsgren et al., 2001).
Bien que certains points restent à éclaircir, l’IgD co-exprimée avec l’Igε semble donc
avoir un rôle de régulateur, permettant grâce à ses propriétés particulières de moduler finement la signalisation via les BCR.
2 Stade B mature et formation du GC
Les lymphocytes B matures naïfs, c'est-à-dire avant leur rencontre avec l’antigène, sont divisés en 3 sous populations qui diffèrent par leur origine, leurs fonctions, leurs localisations au sein des organes lymphoïdes secondaires et leurs marqueurs de surface. On distingue les B marginaux et folliculaires, mentionnés précédemment, qui forment la population des lymphocytes B2, et les lymphocytes B1.
2.aLes lymphocytes B1
Les lymphocytes B1 constituent une population à part au sein de la lignée lymphocytaire B, assimilée à l’immunité innée. On distingue deux sous populations B1 : les B1a (CD5+) et les B1b (CD5-) (Fig. 11). Les B1 ne suivent pas les voies de développement des lymphocytes B2 « conventionnels », et leur origine a longtemps été sujette à controverse. On distingue deux théories principales : le modèle de sélection, qui suggère que la différenciation en B1 ou en B2 dépend de l’antigène reconnu par le BCR (Haughton et al.,
22 1993), ou le modèle de développement « en couche » (« layered immune system »), qui évoque des précurseurs différents à l’origine des deux sous populations (Herzenberg and Herzenberg, 1989). Il est aujourd’hui admis, grâce à différentes études basées sur des transferts de cellules B plus ou moins matures dans des souris irradiées, que les cellules B1 sont issues de précurseurs différents des B2, la divergence entre les deux lignées apparaissant dès le stade précurseurs lymphoïdes précoces. En effet, le transfert de cellules pro-B dans des souris irradiés ne donnera que des cellules B2, tandis que le transfert de CLP permettra de reconstituer les deux sous populations (Esplin et al., 2009). Une étude in vitro a permis de démontrer que parmi les CLP, chaque clone ne donnera que des B1 ou des B2, mais jamais les deux, ce qui montre que la séparation des deux lignées apparait avant la transition ELP-CLP (Barber et al., 2011). La même étude a également démontré que les ELP-CLP de nouveau-nés donnent plus fréquemment des B1 que des CδP d’adultes, ce qui explique l’origine
majoritairement fœtale des B1 ( Pour revue : Dorshkind and Montecino-Rodriguez, 2007;
Baumgarth, 2011).
Les lymphocytes B1 sont la population B majoritaire dans le péritoine. On en retrouve également dans la rate, la moelle osseuse et le sang. Ils expriment un répertoire antigénique particulier, marqué par une utilisation préférentielle de certains segments VH et un très faible
taux d’insertion aléatoire de nucléotides au cours des recombinaisons VDJ (Kantor, 1996;
Kantor et al., 1997). La majorité des B1 exprime des Ig polyréactives, reconnaissant à la fois des antigènes du soi, notamment exprimés par les cellules apoptotiques tels que la phosphatidylcholine, et des antigènes caractéristiques de certains pathogènes (Kulik et al., 2009; Racine and Winslow, 2009). Cette présence de BCR auto-réactifs est, de façon surprenante, due à un mécanisme de sélection positive : la signalisation via un BCR auto-réactif est un pré requis à la différenciation en B1 (Hayakawa et al., 1999; Hardy and Hayakawa, 2012).
Les B1 sont responsables de la sécrétion des Ig dit « naturels » (ou NIg), majoritairement des IgM et dans une moindre mesure des IgA. Ces Ig poly-réactifs ont un double rôle. Ils constituent une première ligne de défense contre les pathogènes. Malgré leur faible affinité, leur fixation permet de ralentir la réplication de pathogènes le temps que la réponse adaptative se mette en place (Martin et al., 2001). D’autre part, ils assurent un rôle de « nettoyage » de l’organisme : leur fixation grâce à leur faible auto-réactivité sur les débris de cellules apoptotiques favorise leur élimination, limitant ainsi l’inflammation et le risque
23
d’apparition d’auto-anticorps monoclonaux dirigés contre ces anticorps du soi. δ’importance
de ce rôle a été mise en évidence dans des modèles de souris susceptibles de déclencher des maladies auto-immunes, dans lesquelles la suppression des B1 entraine une aggravation des pathologies (Boes et al., 2000). Un rôle de ces NIg serait également de limiter de
développement de l’athérosclérose, en reconnaissant les lipoprotéines de basse densité
oxydées contribuant au développement de cette pathologie (Shaw et al., 2000; Hartvigsen et al., 2009). Enfin, les NIgA, qui représentent une part significative des Ig secrétées dans le tube digestif, semblent avoir une fonction dans la régulation de la flore commensale (Kroese et al., 1996; Macpherson and Slack, 2007).
δes lymphocytes B1, cellules à l’interface de l’immunité innée et adaptative, jouent
donc un rôle crucial, d’une part en assurant une première ligne de défense contre les
pathogènes, et d’autre part en assurant une « maintenance » de l’organisme nécessaire pour
limiter les risques de pathologies auto-immunes (Pour revue : Baumgarth, 2011).
2.b Lymphocytes B de la zone marginale
Les lymphocytes B MZ représentent une sous population des lymphocytes B2. Comme leur nom l’indique, ils sont majoritairement localisés à la périphérie de la rate, qui
représente l’interface entre les systèmes sanguins et immunitaires. Plus précisément, ils sont
situés à proximité des sinus marginaux qui constituent une zone de moindre résistance à l’écoulement du flux sanguin par rapport aux artères qui irriguent la rate, ce qui facilite
l’entrée dans la zone marginale des pathogènes transportés par le sang (Mebius and Kraal,
2005; Cerutti et al., 2013).
εalgré leurs différences de localisation dans l’organisme, d’origine et de marqueurs de surface, les B εZ possèdent des fonctions similaires aux B1. En effet, leurs gènes d’Ig sont majoritairement non mutés, et leur BCR sont fréquemment polyréactifs et/ou faiblement autoréactifs. Ils sont ainsi capables de reconnaitre à la fois des motifs communs à certains pathogènes (les PAMP) ou des débris de cellules apoptotiques (DAMP) (Martin and Kearney, 2002; Pillai and Cariappa, 2009). Cette particularité du BCR est associée à une forte